第 3 章 9：記憶體（Memory）

記憶體是計算系統的「第二大腦」。本章整理各類記憶體的原理、特性與選用。

一、記憶體的分類

記憶體
├── 揮發性 Volatile（斷電消失）
│   ├── SRAM（Static RAM）
│   └── DRAM（Dynamic RAM）
└── 非揮發性 Non-Volatile（斷電保留）
    ├── ROM（唯讀）
    │   ├── Mask ROM
    │   ├── PROM
    │   ├── EPROM（紫外線抹除）
    │   ├── EEPROM（電氣抹除）
    │   └── Flash（NAND/NOR）
    └── 新興技術
        ├── FRAM（鐵電 RAM）
        ├── MRAM（磁性 RAM）
        ├── PCM（相變記憶體）
        └── RRAM（電阻式 RAM）

二、SRAM

結構

每個位元 6 個電晶體（6T cell）：

         WL（字線）
          │
         ┌┴┐
   BL ──┤ ├── BL_bar
        │ │
        ├─┼─ 兩個交叉互鎖的反相器
        │ │
       GND VDD

特性

快：存取時間 ns 級
不需 refresh
掉電消失
每位元 6 個電晶體（密度低、貴）
靜態電流：低（CMOS）

應用

CPU L1/L2/L3 cache
嵌入式 MCU 內 RAM
FPGA 內 BRAM
高速網路 buffer

經典 IC

IS61LV5128（512K × 8 SRAM）
2102（1K × 1 SRAM，老古董）

三、DRAM

結構

每個位元 1 個電晶體 + 1 個電容（1T1C cell）：

   WL ──┐
         │
        ─┤NMOS
         │
   BL ──┤
         │
        [Cap]
         │
        GND

寫入：電容充/放電讀取：感測電容狀態（破壞性，需 refresh）

特性

密度極高（1T1C）
便宜
需 refresh：電容會漏電，每幾 ms 要重寫一次
比 SRAM 慢
大容量：GB 級

DRAM 演進

世代	速度	應用年代
SDRAM	100–200 MHz	1990s
DDR	200–400 MT/s	2000
DDR2	400–800 MT/s	2003
DDR3	800–2133 MT/s	2007
DDR4	2133–3200 MT/s	2014
DDR5	4800–8400 MT/s	2021
LPDDR4/5	行動裝置版本
HBM2/3	Stacked DRAM	AI 加速器

HBM（High Bandwidth Memory）

垂直堆疊 DRAM 透過 TSV 與 GPU/AI 晶片互聯： - 頻寬達 TB/s 級 - AI 訓練、HPC 必備（NVIDIA H100、AMD MI300）

四、ROM 與 EPROM

Mask ROM

製造時固定（光罩決定內容）。量產 IC、boot 程式。

PROM

一次性可編程（Fuse 燒斷）。

EPROM

紫外線可抹除（早期晶片有玻璃窗）。

EEPROM

電氣可抹除，可隨意寫入。慢、容量小，用於小資料儲存（設定值、序號）。

容量：1k–1M bit 經典 IC：24LCxx（I²C）、25LCxx（SPI）、AT93Cxx（Microwire）

五、Flash 記憶體

NOR Flash

隨機讀取（位元組或字組存取）
寫慢、抹慢（但可執行 XIP）
容量：MB–GB
應用：BIOS、MCU 內存、開機程式

NOR Flash IC： - W25Q 系列（Winbond）：SPI Flash - MX25L（旺宏）

NAND Flash

區塊存取（每次 page 讀寫，block 抹除）
速度快、密度高
容量：GB–TB
應用：SSD、SD 卡、USB 隨身碟、智慧型手機

NAND 類型： - SLC（Single-Level Cell）：1 bit/cell，最快、最耐久、最貴 - MLC：2 bit/cell - TLC：3 bit/cell（消費級主流） - QLC：4 bit/cell（大容量低成本）

寫入次數限制

SLC：~ 100,000 次
MLC：~ 3,000–10,000 次
TLC：~ 1,000–3,000 次
QLC：~ 100–1,000 次

資料儲存系統需要「Wear Leveling」演算法平均寫入。

3D NAND

垂直堆疊 cell（128 層、176 層、232 層...），增加密度而不縮小製程。

六、新興非揮發記憶體

FRAM（鐵電 RAM）

利用鐵電效應儲存
速度接近 RAM（< 100 ns）
寫入次數無限（10¹⁵）
容量小（< 8 Mb）
應用：智慧電表、IoT、汽車

經典：FM24V10、MB85RC256V

MRAM（磁性 RAM）

磁性穿隧接面（MTJ）儲存
非揮發、快速、長壽命
STT-MRAM 已量產（Everspin）
未來可能取代部分 DRAM/SRAM

PCM（相變記憶體）

利用 GeSbTe 在晶相/非晶相之間切換
介於 DRAM 與 SSD 之間
Intel Optane（已停產但技術仍延續）

RRAM / ReRAM

利用金屬絲在絕緣體中形成/斷裂
簡單結構、可 3D 堆疊
神經形態運算潛力

七、記憶體階層（Memory Hierarchy）

CPU 系統的記憶體層級：

   速度↑                           容量↓

   暫存器 Registers      < 1 ns    KB
   L1 Cache              ~ 1 ns    32–64 KB
   L2 Cache              ~ 4 ns    256 KB – 1 MB
   L3 Cache              ~ 10 ns   8–64 MB
   DRAM                  ~ 100 ns  GB
   SSD（Flash）          ~ 100 µs  TB
   HDD                   ~ 10 ms   TB
   Tape / Cloud         ~ s        PB


   速度↓                           容量↑

容量越大，速度越慢，每 byte 越便宜。

八、記憶體介面協定

並列介面（Parallel）

早期 SRAM、ROM、DRAM
多腳位（地址 + 資料 + 控制）
高速但 PCB 複雜

串列介面（Serial）

SPI Flash（最常見）
I²C EEPROM
1-wire EEPROM
腳少，速度從 MHz 到 100+ MHz

Quad SPI / Octal SPI

擴展 SPI，4/8 條資料線，速度更快。近代 NOR Flash 主流。

eMMC / UFS

行動裝置用： - eMMC：嵌入式 MMC，3.3V，HS400 達 400 MB/s - UFS：Universal Flash Storage，更快（GB/s 級）

NVMe over PCIe

SSD 主流： - PCIe Gen3 x4：4 GB/s - PCIe Gen5 x4：16 GB/s

九、選用實務

1. MCU 應用

用途	推薦
程式儲存（內嵌）	內建 Flash
設定參數	內建 EEPROM 或外接小 EEPROM（24LC256）
暫存資料	內建 SRAM
大資料記錄	SD 卡 / SPI Flash
高頻寫入	FRAM（不易磨損）

2. SoC 應用

用途	推薦
主記憶體	LPDDR4/5（行動）、DDR4/5（PC）、HBM（AI）
開機	NOR Flash（XIP）
應用儲存	eMMC / UFS / NVMe SSD

3. 車用 / 工業

需要寬溫範圍、高可靠度，選車規認證版本。

十、本章總結

✅ 您應該掌握：

[x] SRAM vs DRAM 結構與特性
[x] DDR 記憶體演進
[x] HBM 高頻寬堆疊技術
[x] ROM/EPROM/EEPROM/Flash 演進
[x] NOR vs NAND Flash
[x] SLC/MLC/TLC/QLC 取捨
[x] 新興非揮發記憶體
[x] 記憶體階層
[x] 介面協定（SPI/eMMC/NVMe）

10-類比數位轉換.md — ADC 與 DAC。